基于西门子PCS7的远程I/O系统在空分中的应用

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摘 要：结合西门子pcs7系统的特点，介绍了远程I/O系统在空分装置中应用实例，重点描述了远程I/O系统的特点，整个控制系统的组成和具体配置等完整应用解决方案。

关键词：PCS7；远程I/O；空分装置；I/O机柜；接地设计

1概述

随着工厂规模的扩大，远程I/O的控制方式已经得到越来越普遍的应用。远程I/O的概念是相对于传统的集中式输入输出单元来说的，远程I/O是把控制系统的输入输出单元分散到现场各个位置，然后通过通讯总线把各个输入输出单元连接起来，和中央控制系统进行数据通讯，达到I/O分散，集中控制的目的。由于远程I/O单元位于现场，与装置设备比较近，所以现场仪表与I/O单元连接的电缆的距离大大缩短，从而节约了大量的电缆，尤其是大型工厂，现场装置距离中控室距离较远时，节省的电缆成本是非常可观的，而且远程I/O控制方式可以将现场各个单元模块化，可以在工厂对各个模块进行预调试，大大减少现场的工作量。

2 控制系统构成

以西门子PCS7系统为基础，结合空分装置的特点，详细介绍控制系统的配置。

系统主要由现场仪表设备，远程I/O单元，通讯接口模块，CPU控制器，上位机监控设备等组成。远程I/O单元放置于现场，位于设备单元的附近或撬装在设备基座上。CPU控制器和上位监控设备集中放置在中央控制室。

空分装置主要设备为：空压机单元，增压机单元，预冷系统和分子筛吸附单元，膨胀机制冷单元，冷箱精馏单元（包括内压缩泵）和循环水处理单元。

后备系统包括：氧后备和氮后备系统，主要设备包括储槽，后备泵，汽化器和充车泵等。

为了保证系统的安全可靠运行，控制器采用PCS7400H系列，冗余配置，空分主装置和后备系统的控制器完全独立分开，当主装置控制器出现问题时，后备系统能够独立运行，保证空分产品连续供应。远程I/O模块根据工艺设备的数量和位置来配置，分别放在工艺设备的旁边，各个远程I/O模块之间通过冗余通讯模块ET200M采用Profibus DP方式连接在一起，最终连到控制器CPU上，然后通过系统总线连接到上位机HMI， 操作员通过人机界面来控制和操作整个装置。（见图1）

3 远程I/O单元设计

远程I/O单元的设计主要包括硬件配置设计，机柜设计，接地设计三个方面。

3.1 远程I/O单元的硬件配置

采用西门子的ET200M系列I/O组件，根据系统要求，总体硬件配置为：电源模块24VDC一对（采用冗余配置，带冗余模块）；通讯接口模块IM153冗余组件一套；输入输出模块一套，包括模拟量输入模块，温度输入模块，模拟量输出模块，数字量输入模块，数字量输出模块。输入输出模块的数量根据现场仪表点的数量确定，一对IM153通讯组件最多可带12块I/O卡件；光纤链路模块一对（对应于冗余通讯接口模块），用于远距离DP通讯时，由于距离的限制，把DP接口转换为光纤接口，通过光纤连接进行远距离通讯传输，减小信号的衰减和保证传输质量。

3.2 远程I/O站的机柜设计

由于远程I/O站位于现场，一般现场环境较差，所以对远程I/O柜有较高的要求，需要满足机柜内卡件对温度，湿度的要求。机柜配置基本要求为：机柜的防护等级最低为IP65；为满足不同现场环境的要求，机柜材料要求为不锈钢；机柜内配备照明和加热器，照明由机柜门的开关自动控制，加热器带温度自动控制；机柜内配置PE和PA两个接地铜牌，两个接地铜牌相互独立，互不相通；机柜的进线设计为底部进线，采用格兰进线的形式，以保证机柜的防护等级；为保证机柜内的温度和湿度，机柜内需要安装降温装置，如空调，冷却器，通风装置等，通风装置由于比较简单有效，通常做法是在机柜内通一路干燥的仪表气或氮气，保证机柜内空气流通，达到降温干燥的目的，如若使用氮气通风，需在柜门上标记警示牌。

其他机柜设计注意事项：机柜内需设置温度探头，温度信号接进DCS中进行显示，用于温度监控和超温报警；机柜内的端子设计，通常采用单层端子，模拟量信号采用闸刀端子，开关量信号采用保险丝端子，达到信号单点隔离，现场过来的多芯电缆备用芯需要接到机柜的备用端子上；机柜内接入三路电源进线，两路UPS和一路NPS，两路UPS最好来自于不同的源头，分别用于两个24VDC电源模块的输入，一路NPS用于柜内的照明和加热器，机柜内220V电源的走线槽和24VDC的走线槽要完全分开；柜内各卡件和其他元件的24V供电设置单独的电源开关，不可共用。

3.3 远程I/O站的接地设计

接地主要包括：机柜本身的接地，仪表信号的接地，电源接地，卡件接地，通讯电缆的接地等几个方面。

在机柜内设置两个独立的接地排，PE（电气保护接地）和PA（仪表接地）。PE接地排与柜体电相连，PA接地排与柜体电隔离。根据西门子系统的要求，24V电源外壳，24V电源负端，通讯模块，I/O卡件，控制器CPU的背板与保护地PE相连，DP通讯线在接线时，需要在接线插头内把保护层拨开，屏蔽层和插头内的金属部分压紧，通过通讯模块和PE排连接，DP线进出柜时，都需要进行屏蔽层接地处理，屏蔽层需与PE排良好连接。对于4线制仪表信号接到非隔离的AI卡件时，即供电由现场仪表供应时，为防止共模电压的产生，信号的负端应与卡件的供电负端相连，连到PE排。现场仪表信号，其屏蔽层在柜内单端接地，接到PA排。

分布在现场的各远程I/O柜内的PE、PA端子需要分别接到就近的PE、PA汇流总排上，然后汇总后接到全厂的等电位接地网。（见图2）

4 远程I/O站的监控及测试

由于远程I/O站距离中央控制室较远，为了及时了解I/O的运行状况，需要对远程站进行实时监控，有问题能及时发现和处理。主要监控量为：各I/O模块的运行状态，24V电源模块的运行状态，OLM的运行状态，机柜内温度监控。DCS软件组态时需要注意，I/O卡件及通讯模块的硬件诊断和信号断线报警需要组态好，当卡件出现问题时，在DCS画面出现报警信息，每个机柜的24V电源和冗余模块的故障信号，OLM的故障状态，机柜内的温度信号都接进DCS，并在画面上进行报警。

为了减少现场的工作量，远程I/O站可在工厂随设备组装好，如装置的空压机，增压机，膨胀机，分析小屋等设备，I/O站可由设备厂家随设备集成好，在工厂完成以下工作：机柜的集成，包括各I/O元件的组装，卡件到端子的接线；撬装仪表接线箱到I/O站的接线；I/O中各个卡件的回路测试；模拟通讯测试。远程I/O站到达现场后，需要完成：各个机柜的电源电缆连接；各个I/O站之间的通讯电缆（根据距离选择光纤连接）；散供到现场的仪表到各I/O柜的信号连接；现场接地连接及测试；机柜的通讯测试，包括光纤模块信号质量测试，冗余通讯测试；仪表到I/O柜和控制器之间的回路测试。

5 结束语

远程I/O站的控制模式已经许多空分装置现场得到实施，事实证明，这种方式能够大大减小现场仪表电缆成本，减少现场的施工量，并能稳定可靠的运行。当然，由于一般现场环境恶劣，远程I/O站也存在对卡件，机柜设计要求较高，机柜距离中控较远，不方便维护等缺点，系统设计者可根据各工厂的特点，结合远程I/O和集中式I/O的优点，优化设计方案，提高系统的稳定性和可靠性。

参考文献

[1]西门子自动化公司.西门子分布式I/O设备ET200M操作说明[S].2006.

[2]西门子自动化公司.西门子S7-300模块数据设备手册[S].2007.

[3]GB50093-2002.自动化仪表工程施工及验收规范[S].

作者简介：陈丽（1982-），女，汉族，陕西汉中人，就职于林德工程（杭州）有限公司，研究方向：DCS控制系统设计和仪表选型设计。